Integrált áramkörök/2 Rencz Márta Elektronikus Eszközök Tanszék
Mai témák • MOS áramkörök alkatrészkészlete • Bipoláris áramkörök alkatrészkészlete
11/2/2007
2/27
MOS áramkörök alkatrészkészlete • Tranzisztorok növekményes/kiüritéses, NMOS/PMOS
• Kapacitások Két fajtája: fém-oxid -félvezető poli-oxid-félvezető kapacitás
• vezetékek
11/2/2007
3/27
MOS IC alkatrészek 4 MOS tranzisztor
Felvétel optikai mikroszkóppal
Elektron-mikroszkópos felvétel 11/2/2007
4/27
MOS IC alkatrészek Nagyáramú MOS tranzisztorok
Sok tranzisztor kapcsolódik párhuzamosan aktív zóna gate
11/2/2007
5/27
Kapacitások MOS áramkörökben fém-oxid-félvezető kapacitás Síkkondenzátor geometriájú C = ε oε r
A t
A a keresztmetszet, t a dielektrikum vastagsága, εr a relatív permittivitása.
• Mivel a SiO2 –re εr = 3,9 , 40 nm gate-oxid vastagsággal 2 számolva 1 mm felületre 1016 C = 8.86 × 10 3.9 = 864 pF 4 × 10 −8 −12
kapacitás adódik. Ez egy 50x50 μm-es területre számolva kb. 2 pF. → a reálisan szóbajövő értéktartomány néhány pF. • A kapacitás gyakorlatilag feszültségfüggetlen 11/2/2007
6/27
Fém-oxid-félvezető (MOS) kapacitás •A veszteségi ellenállás csökkenthető, ha a kondenzátor alsó elektródáját a hosszabbik él mentén, vagy mindkét oldalon kivezetjük.
11/2/2007
7/27
Poli-oxid-félvezető MOS kapacitás • csak akkor működik, ha kapcsain a feszültség nagyobb mint VT. • Mivel az inverziós réteg ellenállása nagy, célszerű körben kivezetni.
11/2/2007
8/27
MOS IC alkatrészek Kapacitások egy CMOS áramkörben
A nagyobbik kapacitás értéke 4 pF
11/2/2007
9/27
A vezetékek tulajdonságai • Belső összeköttetések • Fémezésen • Poliszilicium rétegen • Source-drain diffúzión Egyik megoldás sem ideális, mindegyiknek van szórt kapacitása és soros ellenállása Nagyságrendjük:
R : a négyzetes ellenállás L
w
I RR t
R= ρ×
11/2/2007
L = t×w R
A diffúzió és a poliszilicium ellenállása jelentős
× L/w 10/27
Jelterjedés a vezetékeken Egyenáramú szempontból a vezeték ellenállás nem probléma (Ig = 0 miatt), de tranziens körülmények között a működés sebességét csökkenti, a jelek időkésleltetéssel terjednek.
átlagos jelkésleltetés tL = ami alatt a kimenő jel a Vo/√2 értéket eléri, Vo a bemenő jel t L = 3.5 Rnegyzetes C fajlagos L2
11/2/2007
a távolság négyzetével, R -tel és Cfajl –al arányos → •kerülni kell a hosszú vezetékeket •amit lehet, fémen kell összekötni 11/27
11.1. példa Számoljuk ki egy átlagos poliszilicium vezeték késleltetését. A vezeték négyzetes ellenállása R = 50 Ω, Cfajl= 36 pF/mm2, L = 0.25 mm. Megoldás t L = 3.5 × 50 × 36 × 10
−6
(0.25 × 10 )
−3 2
= 0.39n sec
Ez a MOS kapuk fel- és lefutási időivel azonos nagyságrendű érték. Mivel azonban a vezeték hosszának négyzetével arányos, L = 1 mm esetén, a késleltetés értéke már 6.4 ns, 2 mm esetén 25 ns! Diffúziós vezeték adatokra hasonló nagyságú késleltetési idők adódnak.
Fémezési adatokkal számolva kb. 3 nagyságrenddel kisebb késleltetési idők adódnak. → a kritikus összeköttetéseket fémezéssel kell megvalósítani. (pl. órajel) 11/2/2007
12/27
A bipoláris integrált áramkörök alkatrészei • Nagyobb elemkészlet mint a MOS áramköröknél: • • • •
Ellenállás Kondenzátor Dióda Bipoláris tranzisztorok
• A passzív elemek értékkészlete korlátozott, a minőség is rosszabb, mint diszkrét elemeknél.
11/2/2007
13/27
Bipoláris IC alkatrészek A bipoláris technológiát az npn tranzisztorra optimalizálták Az npn tranzisztor kialakítása:
•eltemetett rétegek •epitaxiális rétegnövesztés n- tip. (4-8 μm) •Szigetelés kialakítása diffúzióval vagy árokmarással •Bázisdiffúzió (p) •Emitter diffúzió n+ •Kontaktus ablak nyitás •Fémezés •összeköttetés mintázat kialakítása 11/2/2007
14/27
Bipoláris IC alkatrészek szigetelés -diffúzió
11/2/2007
15/27
Bipoláris IC tervezési kérdések •
Az áram terhelhetőséget az áram kiszorítás korlátozza, → a terhelhetőséget az emitternek a báziskivezetéssel szemközti él hossza határozza meg, aminek terhelhetősége kb. 1.5-2 A/cm. → 2 mA-es áramhoz 10 μm-es élhosszúság szükséges, azaz nagyon nagy struktúrák adódnak → az élhossz kétoldali kivezetéssel, vagy spec. geometriával növelhető
11/2/2007
16/27
Bipoláris IC tervezési kérdések • Módszerek a terület csökkentésére: közös emitteres, közös bázisú, közös kollektoros struktúrák.
Multiemitteres tranzisztorok 11/2/2007
17/27
Bipoláris IC alkatrészek npn tranzisztorok
11/2/2007
18/27
Pnp tranzisztorok Laterális tranzisztor • A,B sokkal kisebbek mint az npn tranzisztoré,de VBR nagy
Jellegzetes kivitelek: Multikollektoros
Áramtükör kapcsolás
11/2/2007
19/27
Pnp tranzisztorok Vertikális pnp tranzisztor • Alatta nincs eltemetett réteg • Kollektora mindig a negatív tápfeszültségre kapcsolódik (műveleti erősítők kimenő fokozatában).
11/2/2007
20/27
Diódák • Diódákat általában tranzisztorokból alakítanak ki. A szokásos módozatok:
Nem egyenértékű megoldások, pl. 1,2,5-re VBR kicsi, 1 lassú a szakadás C miatt, stb.
11/2/2007
21/27
Ellenállások bipoláris áramkörökben Leggyakrabban a bázis diffúzióval alakítják ki őket
11/2/2007
• a bázis diffúzió szokásos négyzetes ellenállás értéke R = 100200 Ω/ . • Az ellenállásokat közös szigetben lehet kialakítani, de a szigetet a pozitív távfeszültségre kell kötni. (Igy a záróirányban előfeszített pn átmenet szigetel). 22/27 • Az ellenállások értéke: R = R ×L /D
Ellenállások bipoláris áramkörökben • A szokásos értékek: 100….10-40 kΩ (meander alak)
• A létrehozható ellenállások nem pontosak (kb. 10 %) de a relatív pontosság, az azonosra tervezett ellenállások egyezése jó. • Hőmérsékletfüggés: kb. 0.1 %/C° • Parazita kapacitások 2 • Maximális terhelhetőségük korlátozott, kb. 20 W/mm 11/2/2007
kb. 400 Ω 23/27
Bipoláris IC alkatrészek
Bázisdiffúziós ellenállás, meander alakban hajtogatva
11/2/2007
24/27
Ellenállások bipoláris áramkörökben Nagy ellenállás értékek: megnyomott ellenállásokkal n+ diffúzióval semlegesítik az ellenállás felső, legjobban vezető rétegét
• Az előállítható négyzetes ellenállás értékek: R = 520 kΩ • Pontatlan , letörési feszültsége kicsi Más lehetőségek (Ezek további maszkokat igényelnek) • Ionimplantálással • Polisziliciumból
25/27
Kapacitások bipoláris áramkörökben A pn átmenetek kiürített rétegének kapacitásai •
Vékonyréteg kapacitás
Használhatók, de probléma, hogy záróirányú előfeszítést igényelnek és feszültségfüggők. • CEB ~ 100 pF/mm2, VBR kicsi • CCB ~ 150 pF/mm2, VBR nagy
Az elérhető fajlagos kapacitás 2 C’ ≈ 350 pF/mm → 1-10 pF reális
BiCMOS áramkörökben a bipoláris és a MOS eszközök közösen fordulnak elő, egyesítve a két technológia előnyeit. 26/27
Bipoláris IC alkatrészek kondenzátor egy műveleti erősítőben
Értéke: kb. 30pF
11/2/2007
27/27
